Математико-картографическое моделирование динамики климата Ростовской области по глобальным метеорологическим данным

DOI:

Цитирование. Матвеев Ш. Математико-картографическое моделирование динамики климата Ростовской области по глобальным метеорологическим данным // Природные системы и ресурсы. – 2023. – Т. 13, № 1. – С. 31–38. – DOI:

ГИС-технологии в настоящее время являются мощным средством получения информации о текущем регионе либо конкретной местности [2; 5; 7; 8]. Особую популярность ГИС приобретает в современных климатических исследованиях из-за широкого инструментария, а также привязке к определенной местности [1; 3; 4].

Целью настоящей работы является моделирование климатических данных на территорию Ростовской области с использованием глобальных климатических данных, а также создание климатических карт по данным моделирования с применением ГИС. От климата напрямую зависят как развитие отраслей сельского хозяйства, так и промышленности. В связи с этим необходимы долгосрочный мониторинг и прогнозирование климата с привязкой к конкретным территориям.

Материалы и методы исследования. Процессы математико-картографического моделирования динамики климата Ростовской области проходили в двух программах – QGIS 3.18 (гео-информационная система) и MS Excel (для работы с электронными таблицами).

Для наиболее качественного моделирования необходима большая база информации, то есть, чем больше база данных по прошедшим измерениям, тем моделирование будет происходить точнее, без аномальных значений. Для дальнейшего моделирования на 2021– 2040 гг. в работе использовались климатические данные по параметру среднегодовой температуры воздуха с 1960 по 2020 год.

В настоящей работе основным источником климатической информации для математико-картографического моделирования динамики климата Ростовской области является глобальный климатический продукт CRU TS версии 4.06 [6; 9].

Данные CRU TS интегрируются в гео-информационную систему QGIS и представляют собой один растр с информацией в каждом пикселе о среднегодовой температуре воздуха на территорию данного пикселя. Для дальнейшего моделирования данные необходимо экспортировать в табличные значения.

Один из способов экспорта растровых значений в таблицу – это метод создания центроидов. Он заключается в том, что на территорию, которую необходимо экспортировать создается векторная полигональная сетка с размером пикселя CRU TS - 0,5° х 0,5°. После этого к каждой ячейке векторной сетки создается точечный векторный слой центроида с помощью инструмента «Центроиды». Центроиды необходимы, чтобы к каждой точке векторного слоя могли были быть привязаны климатические характеристики из каждого пикселя растровых данных CRU TS.

Инструмент «растр в вектор» позволяет каждое растровое изображение в период с 1960 по 2020 г. преобразовать в отдельный полигональный векторный слой границ пикселя CRU TS с значением среднегодовой температуры воздуха.

Каждый полигональный вектор в период с 1960 по 2020 г. необходимо присоединить к вектору центроидов с помощью инструмента работы с вектором «Присоединить атрибуты по пространственному положению». Это позволяет записать значения среднегодовой температуры воздуха с 1960 по 2020 к точечному слою центроидов.

После присоединения атрибутов к центроидам у каждого центроида в атрибутах имеется значение года и самого климатического параметра.

После проведенных действий данный слой центроидов можно экспортировать в таб- лицу MS Excel. С помощью функции «Лист прогноза» были спрогнозированы климатические показатели среднегодовой температуры воздуха с 2021 по 2040 год. Прогноз проводился на основе климатических данных CRU TS за 1960–2020 годы. Получившаяся таблица с климатическими данными за 1960– 2020 гг. и с прогнозными данными за 2021–

2040 гг. была экспортирована обратно в ГИС для дальнейшего моделирования.

Результаты и обсуждение. С помощью инструмента «Зональная статистика» было выявлено среднее значение в пределах пикселей CRU TS и прогнозных данных по муниципальным районам Ростовской области. В таблицах 1–2 представлено сравнение фак-

Таблица 1

Моделирование среднегодовой температуры воздуха (°С) на территории Ростовской области по муниципальным районам по данным CRU TS

Муниципальный район 2020 2030 2040 Азовский район 11.41 12.09 12.40 Аксайский район 11.51 12.30 12.61 Багаевский район 11.38 11.99 12.45 Белокалитвинский район 11.37 11.93 12.46 Боковский район 11.47 12.11 12.55 Верхнедонской район 11.53 12.23 12.64 Веселовский район 10.97 11.39 12.04 Волгодонской район 10.86 11.25 11.94 Дубовский район 10.63 10.99 11.74 Егорлыкский район 11.68 12.37 12.84 Заветинский район 11.45 12.05 12.54 Зерноградский район 11.17 11.64 12.23 Зимовниковский район 11.54 12.23 12.68 Кагальницкий район 11.40 11.94 12.48 Каменский район 11.74 12.36 12.77 Кашарский район 11.15 11.53 12.19 Константиновский район 11.26 11.74 12.33 Красносулинский район 11.55 12.21 12.67 Куйбышевский район 11.46 11.98 12.51 Мартыновский район 11.68 12.33 12.76 Матвеево-Курганский район 10.74 11.08 11.81 Миллеровский район 11.51 12.10 12.59 Милютинский район 11.27 11.75 12.35 Морозовский район 11.44 12.00 12.51 Мясниковский район 11.40 11.93 12.47 Неклиновский район 11.30 11.80 12.37 Обливский район 11.12 11.56 12.19 Октябрьский район 11.15 11.60 12.24 Орловский район 11.69 12.27 12.73 Песчанокопский район 11.59 12.18 12.64 Пролетарский район 11.69 12.27 12.71 Ремонтненский район 10.89 11.29 11.98 Родионово-Несветайский район 11.02 11.44 12.10 Сальский район 11.74 12.34 12.73 Семикаракорский район 11.65 12.22 12.69 Советский район 11.55 12.26 12.70 Тарасовский район 11.56 12.15 12.62 Тацинский район 11.47 12.02 12.53 Усть-Донецкий район 11.44 11.94 12.45 Целинский район 11.73 12.28 12.73 Цимлянский район 11.60 12.16 12.57 Чертковский район 11.48 11.95 12.43 Шолоховский район 11.57 12.12 12.55 тических данных среднегодовой температуры воздуха по продукту CRU TS за 2021 г. с данными за 2030 и 2040 годы.

Полученные данные показывают, что отношение смоделированных данных на 2030 г. и фактических данных за 2020 г. не превышает 6 %. Отношение смоделированных данных на 2040 г. и фактических данных за 2020 г. не превышают 9 %.

Полученные данные показывают, что отношения смоделированных данных на 2030 г. и фактических данных за 2020 г. не превышают 4 %. Отношение смоделированных данных на 2040 г. и фактических данных за 2020 г. не превышают 10 %.

Для создания климатических карт были выбраны 3 климатических периода: фактические данные за 2020 г., данные моделирования на 2030 и 2040 годы.

Для разработки климатических карт региона необходимо было провести интерполяцию для выявления интерполированных поверхностей. Интерполяция проводилась в геоинформационной среде QGIS 3.18 с помощью инструмента «Интерполяция методов ОВР».

Интерполяция позволяет заполнить пустые (значения без данных) значения с помощью известных точечных значений, используя математические действия.

Полученные данные интерполяции методом ОВР можно классифицировать. Данные разбиваются по классам на диапазоны значений и к каждому классу присваивается свое значение цвета.

С помощью генератора геометрии были исключены те изолинии, которые затрудняли визуальное восприятие полученных растров, а именно в местах расположения точечных данных в виде центроидов. Это одна из особенностей интерполяции методом обратно-взвешенных расстояний. Она заключается в том, что максимальный «вес» точки приходится на центроид, из которого брались значения пикселя CRU TS, а вокруг этого центроида образуются изолинии, ограничивающие визуальное ориентирование на карте.

Создается единый макет для составления и компоновки климатических карт. Подбирается общая система координат, строится масштабная линейка, составляется легенда карты.

Созданные карты представлены на рисунках 1–3.

Карты, созданные по данным моделирования за 2030 и 2040 гг., позволяют понять, что среднегодовая температура воздуха на территории Ростовской области не превышает 10 % от значений 2020 г., что свидетельствует о незначительной динамике климата, подверженной глобальному потеплению.

Заключение. Проведя математико-картографическое моделирование динамики климата Ростовской области, можно заметить, что регион не подвержен серьезным климатическим изменениям в будущем, что, в свою очередь, позволяет сказать, что у региона имеется устойчивый климат.

Таблица 2

Моделирование среднегодовой температуры воздуха (°С) на территории Ростовской области по городским округам по данным CRU TS

Городской округ	2020	2030	2040
городской округ Азов	11.31	11.85	12.40
городской округ Батайск	11.13	11.60	12.20
городской округ Волгодонск	11.40	11.98	12.48
городской округ Гуково	10.65	11.00	11.74
городской округ Донецк	10.93	11.39	12.05
городской округ Зверево	10.74	11.10	11.81
городской округ Каменск-Шахтинский	11.66	12.39	12.90
городской округ Новочеркасск	11.16	11.60	12.22
городской округ Новошахтинск	11.77	12.35	12.75
городской округ Ростов-на-Дону	11.48	12.12	12.55
городской округ Таганрог	11.36	11.88	12.43
городской округ Шахты	10.84	11.23	11.92

Рис. 1. Карта среднегодовой температуры воздуха за 2020 г. на территорию Ростовской области по данным CRU TS

Рис. 2. Карта среднегодовой температуры воздуха за 2030 г. на территорию Ростовской области

по данным CRU TS

Рис. 3. Карта среднегодовой температуры воздуха за 2040 г. на территорию Ростовской области по данным CRU TS